Как физик Алексей Кавокин помогает России обойти Google в квантовой гонке
Ученый совершил открытие, которое позволит сделать массовое производство квантовых компьютеров реальностью. Кавокин возглавляет лаборатории в СПбГУ и трех мировых университетах и пишет детские книги о приключениях кота Саладина.
Вам принадлежит открытие, которое может приблизить производство квантовых компьютеров нового поколения. Благодаря ему вы получили премию Quantum Devices Award, одну из самых престижных в физике! В чем суть?
Чтобы понять суть работы, которой мы занимались вместе с коллегами из университета Саутгемптона, надо мысленно вернуться в 1924 год. Тогда Альберт Эйнштейн прочел серию работ индийского физика Сатьендры Ната Бозе, который установил, что частицы делятся на две категории: бозоны (выживают вместе в одном состоянии) и фермионы (не выживают). Эйнштейн вывел, что из бозонов можно получить конденсат, который позже назовут бозе-эйнштейновским. Этот конденсат — что-то вроде автомагистрали, по которой машины едут с одинаковой скоростью, не образуя заторов. Гораздо позже, в 1995 году, американские физики пришли к выводу, что это открытие позволяет объединить атомы рубидия в один гигантский атом. При помощи этого явления можно создавать квантовые транзисторы, которые лягут в основу квантовых компьютеров.
В чем отличие квантовых компьютеров от обычных, даже самых мощных?
Чтобы решить задачу, обычный компьютер перебирает варианты, а квантовый обладает всеми возможными вариантами решения этой задачи сразу. То есть классический компьютер может разгадывать какой-то шифр день, месяц, год, а квантовый сделает это по щелчку, за секунду. Более того, если для классического суперкомпьютера нужны миллиарды транзисторов, то для квантового хватает небольшого числа. Например, квантовый компьютер Sycamore компании Google работает всего на 54 таких транзисторах. Но тут есть проблема — работать такие транзисторы могут только при сверхнизких температурах, около абсолютного нуля, –273 °С. Google для этого нужен газ гелий-3, который стоит огромные деньги и которого очень мало на Земле, ведется даже разговор о том, чтобы привозить его с Луны. Что сделали мы? В 2001 году мне и моим коллегам пришла простая, казалось бы, мысль. Эйнштейн предсказал, что критическая температура для создания того самого конденсата обратно пропорциональна массе частицы. Так почему бы не найти более легкие, чем атом рубидия, частицы? Мы стали работать с поляритонами, квантами жидкого света, которые в миллиард раз легче атомов рубидия. И оказалось, что они образуют бозеэйнштейновский конденсат при комнатной температуре +26…+27 °С! Никакого гелия-3 и миллионных затрат! Это удивительное открытие, позволившее перенести экзотический эффект физики низких температур в повседневную жизнь. В Англии мы провели опыты, они оказались удачными, и на их основе мы сделали лазер, спонтанно излучающий свет, состоящий из одинаковых фотонов. Наше открытие имеет практическое применение и может стать основой для более дешевых и простых в изготовлении квантовых компьютеров. А это отличный шанс оставить американские корпорации далеко позади.
В чем практическая суть квантовых компьютеров, как именно они изменят мир?